De winst van een optimale koeling bij spuitgietmatrijzen - met 10 handige tips!

BAREND BLOM, OPLEIDINGSMANAGER KUNSTSTOF- EN MATRIJSTECHNOLOGIE,, 31 mei 2018
Blog spuitgietmatrijzen

Bij het ontwerp van een spuitgietmatrijs is het koelsysteem uitermate belangrijk. Het koelsysteem bepaalt namelijk in grote mate de cyclustijd, het energieverbruik en de kwaliteit van het kunststof spuitgietproduct. U zou dus verwachten dat bij het ontwikkelen, de aanmaak en het onderhoud van een matrijs veel aandacht wordt besteed aan een optimaal koelsysteem. Helaas, de praktijk is vaak anders waardoor spuitgietbedrijven zich enorm tekortdoen. In dit blog deel ik tips om een optimale koeling te bereiken.  

Tabel koeling spuitgietmatrijsWaarom koeling in een spuitgietmatrijs?

Om een thermoplastische kunststof in een matrijs te kunnen produceren moeten we de grondstof eerst verwarmen. Hierdoor wordt deze plastisch zodat deze met een enorme kracht en snelheid in de matrijs (vorm) kan worden geïnjecteerd. Het koelsysteem is nodig om de kunststof voldoende af te koelen zodat het product zonder vormverlies uit de matrijs genomen kan worden.

De gevolgen van een niet optimaal koelsysteem

Een niet optimaal koelsysteem heeft vier zeer nadelige effecten:

  1. een cyclustijd die veel langer is dan mogelijk;
  2. temperatuurverschillen binnen de matrijs die leiden tot verschil in krimp en kromtrekken van het kunststof spuitgietproduct;
  3. glansverschillen in het productoppervlak;
  4. een veel hoger energieverbruik dan noodzakelijk.

Doel van een optimaal koelsysteem

Naast het zo snel mogelijk afkoelen is gelijkmatig afkoelen minstens zo belangrijk. Want wat hebben we aan een supersnelle spuitgietcyclus als het product niet aan de kwaliteitseisen voldoet? Precies, helemaal niets.

Doelstelling bij het optimaal ontwerpen van het koelsysteem

Om op een effectieve manier kunststof spuitgietproducten te produceren moeten we de warmtehuishouding van de matrijs zorgvuldig ontwerpen, zonder onnodige kosten of complexiteit.

Maximaal warmtetransport realiseren

Het materiaal waarvan de spuitgietmatrijs wordt gemaakt heeft een bepaalde thermische conductiviteit. Dit is een waarde voor de mate waarin de warmte door het materiaal geleid/afgevoerd wordt. Hoe meer warmte per tijdseenheid afgevoerd kan worden, hoe beter dit is voor de cyclustijd. Een spuitgietmatrijs wordt gemaakt uit verschillende soorten gereedschapsstaal of speciale soorten aluminium. Voor bepaalde onderdelen worden ook speciale soorten koper toegepast. Aluminium en koper hebben een veel betere warmtegeleiding dan staal.

Warmtetransport bevorderen via koelmedium

Om warmte versneld aan de spuitgietmatrijs te onttrekken, kunnen we een koelmedium (water, water onder druk, koelvloeistof of olie) via koelkanalen laten stromen. Hoe dichter bij de matrijswand geplaatst hoe effectiever de koeling. Maar let op! Te dicht op de matrijswand geeft het risico op vervormen van de matrijs.  

De 8 stappen in het ontwerpproces van het koelsysteem

Omdat er meerdere doelstellingen zijn bij het ontwerp van het koelsysteem van een spuitgietmatrijs is het niet realistisch dat iedere doelstelling behaald kan worden. Het doel van de matrijsontwerper is zorgen voor een goed compromis, zodat snelle en uniforme koeling wordt bereikt op een economische manier. De volgende 8 stappen worden  aanbevolen om tot goede keuzes te komen. Daarbij komen er nog een aantal belangrijke koelproblemen en ontwerptips aan de orde.

1. Berekenen van de benodigde koeltijd

Voor het berekenen van de (theoretische) koeltijd kunnen we gebruikmaken van diverse formules en softwareprogramma’s. Hierbij wordt uitgegaan van een ideale situatie, maar dit geeft wel een richting.

2. Bepalen van de benodigde af te voeren warmte

Nadat de benodigde koeltijd berekend is, kunnen we de benodigde af te voeren warmte of “cooling power” gaan berekenen. Verder is het van belang dat er een bepaalde balans is tussen de af te voeren warmte in de voor- en in de achtermatrijs.

3. Bepalen van de volumestroom van het koelmedium

Door het onttrekken van warmte aan de kunststof door het stromen van het koelmedium door de matrijs, zal het koelmedium in temperatuur doen toenemen. Er is sprake van een verschil bij de aanvoer en uitvoer van het koelmedium. Het verschil mag niet te groot zijn omdat het product anders ongelijkmatig afkoelt met mogelijke vervorming tot gevolg. Een temperatuurverschil van maximaal 1°C voor een standaardproduct is gangbaar. Om dit te bereiken is er een bepaalde volumestroom nodig en deze kunnen we berekenen.

4. Bepalen van de diameter van het koelkanaal

Voor het bepalen van de diameter van de koelkanalen baseren we ons op de inmiddels bekende af te voeren warmte en de volumestroom. Om een adequate warmteoverdracht te realiseren is een zogenaamde turbulente stroming (rollende, -draaistroming) in het koelkanaal gewenst. Dit geeft de meest effectieve warmteoverdracht per volume. Er is een bepaalde verhouding nodig tussen de diameter en de volumestroom om een turbulente stroming te garanderen. Ook dit kan worden berekend. 

5. Bepalen van de koelkanaal lengte

De minimale lengte van het koelkanaal kan met een formule berekend worden als de diameter van het koelkanaal bekend is.

6. Bepalen van koelkanaal diepte

Nu de diameter en de lengte van de koelkanalen bekend zijn, kunnen we de afstand/diepte van het kanaal tot de matrijswand bepalen. Vanuit het standpunt van matrijssterkte en -levensduur (spanningsconcentraties) leggen we het koelkanaal zo diep mogelijk. En vanuit het standpunt koel- en energie-efficiency (snellere warmteafvoer en reactietijd) zo dicht mogelijk op de matrijswand.  

7. Bepalen van de onderlinge afstand van de koelkanalen

De onderlinge afstand noemen we ook wel de hart-op-hart afstand of steekmaat. Deze maat bepaalt een uniforme warmteoverdracht. Een kleinere steekmaat betekent een snellere en meer uniforme koeling maar zorgt voor meer koelkanalen en geeft waarschijnlijk sneller een conflict met de aanwezigheid van andere matrijscomponenten.

8. Koelkanaal circuits

Zodra de koelkanaaldiameter, -diepte en -steekmaat bepaald zijn kan het circuit door de matrijs worden gelegd. Het koelcircuit is van kritisch belang omdat het niet alleen de kosten (cyclustijd) en kwaliteit van het kunststof spuitgietproduct bepaalt, maar ook een limitering is voor wat betreft plaatsing en positionering van schuiven, uitwerpers, bouten en andere onderdelen (inserts, spuitbus, geleide pennen, terugdruk pennen, enz.).     

Trends voor nog betere resultaten

Er zijn nieuwe technologieën beschikbaar zoals metaalprinten, vacuümsolderen en lasersinteren waardoor individuele 2D gebogen en zelfs 3D contourvolgende koelkanalen tot de mogelijkheden zijn gaan behoren. Dit noemen we hybride matrijzen waarbij een bepaald deel, zoals hightech productvormende delen, inserts of koeling speciaal aangemaakt worden.

Variotherm verwarmen/koelen (tempreren) is een dynamische manier voor de temperatuur regeling in de spuitgietmatrijs. Hiermee kunnen we, binnen een tijdsbestek van enkele seconden, een verhoogde matrijswandtemperatuur realiseren (bijv. voor hoogglans productoppervlakken) en meteen daarna het product versneld afkoelen.

Optimale koeling versus plaatsing van andere componenten zoals aanspuiting, schuiven, uitstoters, bouten en andere onderdelen. Dit zal in de meeste gevallen leiden tot een compromis en dat betekent dat de eerdere berekeningen opnieuw gedaan moeten worden op basis van het aangepaste ontwerp! 

Tot slot: 10 handige tips 

  • De grootste doorsnede van het kunststof spuitgietproduct is bepalend voor de koeltijd.
  • Indien de doorsnede van de aanspuiting groter is dan die van het product, dan bepaalt deze de koeltijd.
  • Bepaalde additieven en het percentage daarvan hebben een grote invloed op de koeltijd.
  • Plaats slangnippels aan de onderzijde van de matrijs (weg van hotrunner aansluitingen).
  • Plaats slangnippels aan de niet bedienzijde van de machine (veiligheid).
  • Plaats slangnippels verzonken in het matrijshuis (voorkom beschadigingen).
  • De warmteweerstand kan worden beïnvloed door kalk, roest en vervuiling.
  • Gebruik op maat gemaakte en precisiegeslepen thermische isolatieplaten.
  • De afstand tussen een koelkanaal en ander onderdeel dient minimaal 0,5 x diameter van het koelkanaal te zijn.
  • Kies de diameter van het koelkanaal als inchmaat, dit is de aansluitnippel namelijk ook.

Conclusie

Het ontwerp van het koelsysteem van een spuitgietmatrijs is dus van grote economische en kwalitatieve waarde. Daarbij kan een relatief geringe extra investering zorgen voor een enorme verhoging van het rendement en de kwaliteit. Voor hightech spuitgietproducten zijn technieken beschikbaar waarmee koeling op exact de gewenste plaats aangebracht kan worden waarmee snelle cyclustijden, nauwkeurige maattoleranties en hoogglans productoppervlakken haalbaar zijn.   

Wilt u ook spuitgietmatrijzen met een optimale koeling?

Dan adviseren wij het volgen van de cursus Matrijzen voor kunststoffen B. Deze cursus wordt 1x per jaar georganiseerd in de periode oktober t/m april (20 lesavonden) op onze locaties in Eindhoven en Utrecht.

 

Naar cursusinformatie